Warum die Nickeloberfläche entscheidend ist
Bei der alkalischen Wasserelektrolyse wird Wasser mithilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Nickel gilt für die Sauerstoffentwicklung an der Anode als vergleichsweise kostengünstiger, robuster und aktiver Katalysator. Gerade an dieser Elektrode entstehen jedoch erhebliche Energieverluste. Um Materialien gezielt weiterzuentwickeln, muss deshalb bekannt sein, welche chemische Struktur ihre Oberfläche während der laufenden Reaktion tatsächlich annimmt.
Über Jahrzehnte wurde diese aktive Schicht überwiegend als Nickeloxohydroxid, kurz NiOOH, beschrieben. Das Ulmer Team um Erstautor Justus Leist sowie Albert Engstfeld und Timo Jacob kommt in der Fachzeitschrift Nature Catalysis zu einem anderen Ergebnis: Die Messdaten sprechen unter den untersuchten Reaktionsbedingungen für Nickeldioxid, also NiO₂.
Messungen während der Reaktion
Für die Untersuchung beobachteten die Forschenden das Material nicht erst nach dem Versuch, sondern operando während der Sauerstoffentwicklung. Zum Einsatz kam oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie. Dabei lag eine dünne Materialschicht auf einer rauen Goldoberfläche, welche die Wechselwirkung mit dem Messlaser verstärkt.
Ein zentraler Test nutzte Isotopenmarkierung: Das Team verglich Messungen in normalem Wasser mit Messungen in schwerem Wasser, bei dem Wasserstoff durch Deuterium ersetzt ist. Wäre NiOOH die aktive Struktur, hätten sich charakteristische Veränderungen der Schwingungsspektren zeigen müssen. Diese erwartete Verschiebung blieb aus.
Ergänzend verband die Arbeitsgruppe die Raman-Daten mit zyklischer Voltammetrie und Berechnungen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie. Nach Angaben der Universität ließen sich die experimentellen Spektren damit als NiO₂-Struktur rekonstruieren. Die Studie stützt sich somit auf mehrere sich ergänzende experimentelle und theoretische Verfahren.
Grundlagenbefund, kein fertiger Effizienznachweis
Der Unterschied ist chemisch relevant: NiOOH enthält Wasserstoff, NiO₂ nicht. Damit müssen mögliche Bindungsstellen und Reaktionswege an der Nickeloberfläche neu bewertet werden. Zudem führt das Team zusätzliche Raman-Signale auf sogenannte Obertöne zurück, die zuvor teilweise als kurzlebige Reaktionszwischenstufen interpretiert wurden. Messungen an cobalt- und manganbasierten Oxiden liefern Hinweise, dass dieses Phänomen auch bei weiteren schichtartigen Materialien auftreten könnte.
Aus der Arbeit folgt allerdings nicht, dass damit bereits ein effizienterer industrieller Elektrolyseur entwickelt wurde. Sie korrigiert zunächst das molekulare Modell eines verbreiteten Katalysatormaterials. Dieses präzisere Verständnis kann künftige Materialentwicklung unterstützen, muss aber in weiteren Arbeiten auf konkrete Leistungs- und Haltbarkeitsvorteile übertragen werden.
